柔性机械手末端夹具设计（可编辑）

柔性机械手末端夹具 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 （可编辑） 柔性机械手末端夹具设计 上海交通大学 硕士学位论文 柔性机械手末端夹具设计 姓名:王靖栋 申请学位级别:硕士 专业:机械电子 指导教师:朱向阳 20050301附件四上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式 标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名 王 靖栋 日期 2005 年 3 月 1 日 1附件五上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规 定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密 在 年解密后适用本授 权书 本学位论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 王靖栋 指导教师签名 朱向阳 日期 年 月 日 日期 年 月 日 2硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 柔性机械手末端夹具设计 摘 要 机器人装配系统中 机械臂末端的夹具设计对于降低误差和循环周 期非常重要 因为这一部分直接和物理环境接触 尽管通常的工作误 差可以归咎到很多方面 但是罪魁祸首往往是末端夹具 目前大量使 用的固定夹具的特点是只能夹取某一类确定的工件 当工件改变时不 可避免地要更换夹具 重新设计 制造和安装夹具的成本非常可观 由此提出的柔性装配的目的是用安装了传感器的机器人来代替固定夹 具 该类机器人都安装了柔性夹具 设计合理的夹具可以极大提高效 率 提高系统的可靠性并对机器人的误差提供补偿 给装配系统带来 很高的附加价值 本文详细介绍了目前机械手末端柔性夹具设计的背景 主要 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 及 其存在的问题 针对其中的被动式柔性夹具设计方法 提出了一种新 型的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 -采用弹性橡胶材料的充气气囊式设计 文章首先对橡胶 材料的物理机械特性进行了研究 在分析比较了多种不同的弹性材料 的势能模型的基础上选取了 Ogden-Tschoegl模型作为描述材料机械行 为的基本模型 在夹具的力控制方面文章首先对目前已有的接触模型 进行了研究 比较了该理论和本次设计的异同 探讨了其可行性 并 在此基础上提出了一种针对平面表面工件的新颖的夹取力控制方法 该方法通过分析夹具工作过程中所受的剪切力来控制抓取力 为了研 究夹具夹取复杂表面的工件的行为 文章利用有限元软件 ABAQUS 应用上述得到的 Ogden-Tschoegl模型准确定义了弹性橡胶材料 并建 立了合适的计算机模型 设计了一个夹取复杂表面工件的计算机仿真 1硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 过程 由于模拟过程中设计了多个参数和结果 为了有效减少仿真试 验组数 我运用试验设计软件 MINITAB 根据响应面法的原理来设计 试验 在对试验结果的分析基础上研究了设计所用弹性材料的抓取能 力并确定了一些关键参数的设置 文章还给出了本次设计的具体实现 以及原型机的加工制造 通过确定实际的工程参数进一步验证了气囊 式柔性夹具设计的合理性和实用性 关键词 柔性夹具 橡胶气囊 有限元 试验设计 超弹性 2 硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 Flexible Gripper Design ABSTRACT The design of the end-effector tooling for robotic assembly system is very important for reducing error and cycle time since this is the piece of the robotic parts handler or assembler that physically interacts with the environment. While many factors may cause the common failures of work cells, the gripper design is most critical. Well designed grippers can increase throughput, improve system reliability, compensate for robot inaccuracy, and perform value added functions to the assembly. Dedicated fixtures which are widely used in some industrials are costly and inflexible. The goal of fixtureless assembly is to replace assembly fixtures with sensor-guided robots equipped with flexible grippers. This, in turn, requires the development of automated grasp planning strategies, and grippers with the flexibility to pick up and immobilize a wide range an object sizes and shapes. In this paper I firstly reviewed the existing design concepts of the flexible gripper used as the end-effector of robotic arm. The existing problems in this field were discussed, then a novel design concept of flexible gripper was proposed- the flexible gripper design using pneumatically actuated rubber pockets. By studying and comparing different strain potential energy models, the Ogden-Tschoegl model was selected to define the rubber material. To investigate the dynamical behavior of the gripper, I studied the contact mechanical theory and explored the possibility of applying this theory. Based on the result I developed another novel approach to control the gripping force and conducted the computer simulation to study the feasibility of the design as well. In order to expend the use of this gripper in handling complex parts cases, regarding the difficulty of analyzing the 3硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 hyper elasticity of rubber materials, I used finite elements analysis software ABAQUS to analyze the model behaviors and determine the parameters. MINITAB was used to design the experiments since many factors were studied, and the experiment design was based on Response Surface Theory. The simulation results analyzing gave the capability of the gripper using particular rubber material as well as the parameter value. The paper also presented the actual design process and the manufacturing of the prototype. Great efforts were put on the model selection and the engineering specification analysis. Key words: Flexible Gripper Rubber pocket Finite elements method Hyper elastic experiments design 4硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 第一章 导 论 1.1研究背景及方向 柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种 技术 的总和 柔性制造技术是实现未来工厂的新颖概念模式和新的发展趋势,是 决定制 造企业未来发展前途的具有战略意义的举措 近年来,柔性制造作为一种现代化工 业生产的科学"哲理"和工厂自动化的先进模式已为国际上所公认,可以这样认为:柔 性制造技术是在自动化技术 信息技术及制造技术的基础上,将以往企业中相互独 立的工程设计 生产制造及经营管理等过程,在计算机及其软件的支撑下,构成一个 覆盖整个企业的完整而有机的系统,以实现全局动态最优化,总体高效益 高柔性,并 进而赢得竞争全胜的智能制造技术 它作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科 技,为未来机构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图,将成为 21世纪机构制造业的主要生 产模式 机器人装配系统里面 目前提出的柔性装配的目的就是用安装了传感器的机器 人来代替固定夹具 这些机器人都安装了柔性夹具 设计合理的夹具可以极大提高 效率 提高系统的可靠性并对机器人的误差提供补偿 给装配系统带来很高的附加 价值 本文总结了目前广泛采用的 5种不同的设计方案 1.1.1多级凹槽型嵌入式机械手指的设计 图 嵌入式机械手指 Figure 1: notching the gripper finger 6硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 从图 1可以看到, 这种机械手通过嵌入一系列不同外缘的机械手指来取得柔性 化的功能 这样不同形状的工件可以分别使用对应的手指来夹取而不用更换整个夹 具 很显然 可以安装的机械手指的数量是有限的 这也是最简单的获得柔性化功 能的方法 由于机械手指的外缘变化具有局限性 这种夹具可以夹取的工件也相应 的必须具有类似的表面 同时由于夹具本身并没有替换 手指的外缘也变化不大 导致了抓取力也不会有太大的变化 因此 工件的重量也不能相差过大 1.1.2 更换机械手指 图 可更换机械手指型机械手 Figure 2: changing of gripper fingers 这种机械手可以从图 2看到 这种方法也是通过更换机械手指来获得柔性 我 们可以从手指库里选取合适的手指安装上去来夹取不同种类的工件 这实际 上是由 上一种方案发展而来 当然 不同类型的手指所对应的不同定位系统必须事先输入 机械手装置 这种方案最关键的地方是更换 安装机械手指的机械过程 这个操作 所用的时间必须尽可能的少才可能达到提高效率的目的 这个方案的优点在于通过建立合理的手指库 该夹具可以夹取的零件允许比较 大的表面差异 显然这意味着它的柔性比前一种要来的大 1.1.3 可更换夹具 当上一种方案所获得的柔性还是满足不了工作的要求时 作为上一种的逻辑衍 生 可更换夹具的方案也就应运而生了 原理和上一种是一样的 我们需要不同的 夹子来应付不同类别的零件 而不仅仅是一种类别但是表面略有不同的零件 它也 有相应的夹具库 7硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 图 可更换夹具 Figure 3: changing of gripper 显然 这种方案比前一种的成本要高很多 机构也会复杂不少 但是这些换来 了柔性的大幅度上升 1.1.4 多夹具机械手 这种设计方案里 一系列的夹具被安装在一个旋转的或者是滑动的机械手上 面 机械手本身是固定在机械臂末端的 这种方案的最典型例子就是机械装载和卸 载应用上面使用的双夹具机构 不同的工件可以有次序的被不同夹子夹取 相对上 面方案的改进就是该方案不需要更换夹子 图 多夹具机械手 Figure 4: multiple gripper units 当然 为了一次安装这么多的夹子 机械臂也必须具有更加大的有效载荷能 力 因此 这个方案的应用场合都是抓取那些相对较轻的工件 8硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 1.1.5 通用夹具 所谓通用夹具就是那些能够夹取各种形状工件的夹具 这里介绍两种 被动式 夹具和主动式夹具 1.1.5.1 主动式夹具 图 主动式夹具 Figure 5: active grippers 上图所列的这种夹具和前面几种夹具相比较而言具有极大的拟人特性 它的设 计思想就是模拟人手的基本抓取模式 尽管这些夹具是如此不可思议 它们似乎可以抓取任何形状的工件 就像我们 的手一样 但是很显然 它们的制造设计成本是非常高的 至少在短期内 这种夹 具是昂贵的 不可靠也是不实用的 1.1.5.2 被动式夹具 这些夹具通过一种弹性夹层覆盖在夹具表面 这种夹具具有被动的自由度 因 而能够自动契合被夹工件的表面 图 6是此种夹具的概念设计图. 通常来说 这种被动式夹具方案在定位所夹工件的精确位置 对应于机械手臂 坐标系 上存在很大困难 这个问题正成为这种方案的主要焦点所在 本文的主要 设计理念及目的即在于用该方法实现柔性化的同时保证设计具有一定定位精确度的 柔性夹具 9硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 图 被动式夹具 Figure 6: concept of passive gripper 1.2 研究目的及思路 在上一节提到的柔性制造系统也叫做可配置RMS制造系统 允许多种非限定 性的流水线操作 因此它们可以在一条流水线上实现多种不同的制造过程 另一个 组建 RMS系统的动因即是成本降低 当不同种类的零件可以使用同一种设备同一 条流水线加工时 就没有必要为了零件的差异而引入新的加工工具 这一点上最显 著的例子就是汽车工业里的应用 许多汽车制造厂家拥有多重可配置的制造设备 他们可以支持多种车型在同一条流水线上的同时制造 该文的目的是研究上述被动式柔性机械手夹具的设计方案并实现原型的制造 由上文介绍可知 该类夹具设计的主要设计难点在于引入了弹性橡胶材料以及由此 导致的定位控制困难 因此本文将首先从研究橡胶材料的特殊物理机械性能出发 建立合适的材料模型 并通过有限元软件的分析最终确定材料的具体参数 在控制方面本文引入了一种创新性的方法来实现夹具夹取力的控制 从而达到 了模拟人类手抓取物体的功能 在建立了材料和控制的理论基础后 文章论述了如何运用 RMS的相关理论及 原则实际设计并制作一个被动式柔性夹具 10硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 1.3研究方法和工具介绍 1.3.1 有限元方法介绍 概 述 长期以来 机械设备的分析与计算一直沿用材料力学 理论力学和弹性力学所 提供的公式来进行 由于有许多的简化条件 因而计算精度很低 为了保证设备的 安全可靠运行 常采用加大安全系数的方法 结果使结构尺寸加大 浪费材料 有 时还会造成结构性能的降低 现代产品正朝着高效 高速 高精度 低成本 节省 资源 高性能等方面发展 传统的计算分析方法远远无法满足要求 年来 伴随 着计算机技术的发展 出现了计算机辅助工程分析这一新兴学科采用 技术 即使在进行复杂的工程分析时也无须作很多简化 并且计算速度快 精度高 常见的工程分析包括 对质量 体积 惯性力矩 强 度等的计算分析 对产品的运动精度 动 静态特征等的性能分析 对产品的应 力 变形等的结构分析 其中 物理和几何参数的计算分析比较简单 此处不予以 介绍 对运动精度和动 静态特征的性能分析此处也不介绍 这一节只介绍利用有 限元法进行结构应力 变形等分析的方法 有限元分析技术是最重要的工程分析技术之一 它广泛应用于弹塑性力学 断 裂力学 流体力学 热传导等领域 有限元方法是 年代以来发展起来的新的数值 计算方法 是计算机时代的产物 虽然有限元的概念早在 年代就有人提出 但由 于当时计算机尚未出现 它并未受到人们的重视 随着计算机技术的发展 有限元 法在各个工程领域中不断得到深入应用 现已遍及宇航工业 核工业 机电 化 工 建筑 海洋等工业 是机械产品动 静 热特性分析的重要手段 早在 年代 初期就有人给出结论 有限元法在产品结构设计中的应用 使机电产品设计产生革 命性的变化 理论设计代替了经验类比设计 目前 有限元法仍在不断发展 理论 上不断完善 各种有限元分析程序包的功能越来越强大 使用越来越方便 11 硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 图 有限元法工作流程 Figure 7: Finite Element Method 有限元方法的基本思想是将结构离散化 用有限个容易分析的单元来表示复 杂 的对象 单元之间通过有限个节点相互连接 然后根据变形协调条件综合求解 由 于单元的数目是有限的 节点的数目也是有限的 所以称为有限元法 这种方法灵 活性很大 只要改变单元的数目 就可以使解的精确度改变 得到与真实情况无限 接近的解 有限元方法的基本理论要用到数学 力学方面的各种知识 对于一个应 用工程师来说 他的目的是应用有限元方法去求解各种工程问题 目前市场上各种 功能强大的有限元程序包很多 这些程序包使用方便 也不需要对有限元法进行很 深入的了解 即可应用这些程序求解工程问题 因此 对于一般的工程技术人员来 12硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 说 只需要花很少的时间了解一些有限元的基本知识即可 不需要对它的理论背景 作更深入的研究 用有限元法进行工程分析的一般过程如图所示 ABAQUS介绍 ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件 其解决问题的范围从相 对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题 ABAQUS 包括一个丰富的 可模 拟 任意几何形状的单元库 并拥有各种类型的材料模型库 可以模拟典型工程材料的 性能 其中包括金属 橡胶 高分子材料 复合材料 钢筋混凝土 可压缩超弹性 泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料 作为通用的模拟工具 ABAQUS 除了能解 决大量结构 应力 / 位移 问题 还可以模拟其他工程领域的许多问题 例如热传 导 质量扩散 热电耦合分析 声学分析 岩土力学分析 流体渗透 / 应力耦合分 析 及压电介质分析 ABAQUS 为用户提供了广泛的功能 且使用起来又非常简单 大量的复杂问 题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来 例如 对于复杂多构件问题的模 拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来 在大部分模拟中 甚至高度非线性问题 用户只需提供一些工程数据 像结构的几 何形状 材料性质 边界条件及载荷工况 在一个非线性分析中 ABAQUS 能自 动选择相应载荷增量和收敛限度 他不仅能够选择合适参数 而且能连续调节参数 以保证在分析过程中有效地得到精确解 用户通过准确的定义参数就能很好的控制 数值计算结果 ABAQUS 有两个主求解器模块 ? ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit ABAQUS 还包含一个全面支持求解器的图形用户界面 即人机交互前后处理模块 ? ABAQUS/CAE ABAQUS 对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决 ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件 可以分析复杂的固体力学 结构力学系统 特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题 ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析 同时还可以做系统级的 分析和研究 ABAQUS 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无 二的 由于 ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得 ABAQUS 被 13 硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 各国的工业和研究中所广泛的采用 ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都 发挥着巨大的作用 ABAQUS主要分析功能有 静态应力位移分析 包括线性 材料和几何非线性 以及结构断裂分析等 动态分析 包括结构固有频率的提取 瞬态响应分析 稳态响应分析 以及随机响应分析 等 粘弹性粘塑性响应分析 粘弹性粘塑性材料结构的响应分析 热传导分析 传导 辐射和对流的瞬态或稳态分析 质量扩散分析 静水压力造成的质量扩散和渗流分析等 耦合分析 热力耦合 热 电耦合 压 电耦合 流 力耦合 声 力耦合等 非线性动态应力 位移分析 可以模拟各种随时间变化的大位移 接触分析等 瞬态温度 位移耦合分析 解决力学和热响应及其耦合问题 准静态分析 应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题 退火成型过程分析 可以对材料退火热处理过程进行模拟 海洋工程结构分析 对海洋工程的特殊载荷如流载荷 浮力 惯性力等进行模拟对海洋工程的特 殊 结 构如锚链 管道 电缆等进行模拟对海洋工程的特殊的连接 如土壤 管柱连 接 锚链 海床摩擦 管道 管道相对滑动等进行模拟 水下冲击分析 14硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 对冲击载荷作用下的水下结构进行分析 疲劳分析 根据结构和材料的受载情况统计进行生存力分析和疲劳寿命预估 设计灵敏度分析 对结构参数进行灵敏度分析并据此进行结构的优化设计 软件除具有上述常规和特殊的分析功能外 在材料模型 单元 载 荷 约束及连接等方面也功能强大并各具特点 材料模型 定义了多种材料本构关系及失效准则模型 包括 弹性 线弹性 可以定义材料的模量 泊松比等弹性特性正交各向异性 具有多种 典型失效理论 用于复合材料结构分析 多孔结构弹性 用于模拟土壤和可挤 压泡 沫的弹性行为亚弹性 可以考虑应变对模量的影响超弹性 可以模拟橡胶类 材料 的大应变影响粘弹性 时域和频域的粘弹性材料模型 塑性 金属塑性 符合 屈服准则的各向同性和遵循 准则的各向异性塑 性模型铸铁塑性 拉伸为 屈服准则 压缩为 屈服准则蠕变 考虑 时间硬化和应变硬化定律的各向同性和各向异性蠕变模型扩展的 模型 适合于沙土等粒状材料的不相关流动的模拟 模 型 适合于地质 隧道挖掘等领域 模型 适合于粘土类土壤材料的模 拟模型 这种模型与 模型类似 但可以考 虑不光滑小表面情况泡沫材料模型 可以模拟高度挤压材料 可应用于消费品包 装 及车辆安全装置等领域混凝土材料模型 这种模型包含了混凝土弹塑性破坏理 论渗透性材料模型 提供了依赖于孔隙比率 饱和度和流速的各向同性和各向异性 材料的渗透性模型 其它材料特性 包括密度 热膨胀特性 热传导率和导电率 比热 压电特性 阻尼以及用户自定义材料特性等 单元库 15硕士研究生学位论文 柔性夹具设计包括内容丰富的单元库 单元种类多达 种 它们可以分为个大 类 称为单元族 包括 实体单元 壳单元 薄膜单元 梁单元 杆单元 刚体 元 连接元 无限元还包括其中针对特殊问题构建的特种单元如针对钢筋混凝土结构或轮胎 结构的加强筋单元 针对海洋工程结构的土壤 管柱连接单元 和锚链单元 等 这些单元对解决各行业领域的 具体问题非常有效 另外 用户还可以通过用户子程序自定义单元种类 载荷 约束及连接 载荷 载荷包括均匀体力 不均匀体力 均匀压力 不均匀压力 静水压力 旋转加 速度 离心载荷 弹性基础 伴随力效应 集中力和弯矩 温度和其他场变量 速 度和加速度等 约束 除常规的约束外 还提供线性和非线性的多点约束 包括刚性链 刚 性梁 壳体 固体连接 循环对称约束和运动耦合等 连接 强大的接触对定义与分析功能为管接头接触密封分析 铰链连接分 析 壳体密封分析等带来极大的便利 1.3.1.3 ABAQUS-CAE模块介绍 快速地创建高质量的模型 熟悉现代 CAD 系统的用户欣赏基于特征的 参数化建模方法所带来的高效率 和机动性 ABAQUS/CAE 是唯一提供这种几何建模方法的有限元前处理程序 用 户能够创建参数化几何体如 拉伸 旋转 扫略 倒角和放样 同时也能够由各种 流行的 CAD 系统导入几何体 并运用上述建模方法进行进一步编辑 全面支持 ABAQUS的分析功能 ABAQUS/CAE支持广泛的 ABAQUS 分析功能为初学者和经验丰富的用户提供 人机交互的使用环境 熟悉的 ABAQUS 分析概念 如分析步 接触 约束和预设 条件等 能够通过操作简便的界面得以实现 ABAQUS/CAE 还提供了完全的后处 16硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 理和可视化功能 即使最大规模的 ABAQUS 分析结果也可以高速 高质量地进行 绘图 混合建模方法的使用 在实际的分析过程中 几何体和网格体往往共同存在于模型中 ABAQUS/CAE 通过混合建模方法能够非常容易的处理这种情况 用户可以处理基 于几何体的数据 同时也可以处理导入的纯的节点和单元数据 这些数据没有任何 几何拓扑关系 接触 载荷以及边界条件能够施加在几何体上或者直接施加在单元 的节点 边或面上 这种允许几何体与网格体混合使用的建模环境 为用户分析特 定问题提供了最佳的灵活性 流程化和自动化处理 ABAQUS/CAE 建立在一个开放的可拓展的平台之上 这使得用户可以对成熟 的工作流程进行二次开发 从基本的宏功能和重放文件到完全集成的企业级应用 ABAQUS/CAE 提供了一个丰富的工具包来自动化处理各种任务和流程 并容易将 ABAQUS 的有限元分析功能向更广阔的用户群推广 图 ABAQUS-CAE结构图 Figure 8: ABAQUS-CAE Structure Chart 17硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 由于本次试验需要定义复杂的弹性材料 建立弹性材料和刚体的接触模型 ABAQUS强大的材料定义和 CAE模块便捷的建模 载荷定义能力为试验提供了极 大的方便 保证了结论的准确性 1.3.2 实验设计方法及响应面法原理 实验就是一个试验 在这些试验当中 对于特定过程或系统的变数 故意变动 其值 来观察或辨认出反应值变动的可能原因 进行实验的方法会影响到从事延可 能获得的结论 所以必须审慎规划进行试验的策略 对于进行实验时采用的实验策略 指的是规划或执行实验的途径 一般来说 一次一因子法是最常被采用的方法 亦即在实验中 将其他因子固定 每次只改变 一个因子的值 对于这样的实验策略 其最主要的缺点就是未能考虑各变量之间可 能存在的互相关联性 所谓的关联性就是指一个因子在另一个因子处于不同的值时 会有不同的表现 产生不同的效果 一次一因子实验设计方法和基于统计设计的实验设计相比 效率是比较差的 因为进行了较多的实验次数 得到的信息却相对较少 而对于能得到最多信息的全 因子实验而言 又常常因为实验次数过多 时间和物理条件不允许而难以实现 1951年 Box and Wilson 首先提出响应曲面法 Response Surface Method 的 设计概念 结合了统计实验设计方法与数据契合 Data-fitting 技巧 根据实际所 得经验技巧 建立描述一组受测因子及目标 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 间相互关系的数学模式 进而凭借 这一数学模式探寻极值点的位置 这个方法已经被广泛应用在不同的领域 响应面 法优化实验设计的过程主要包括以下几项 1 极值点区域的逼近 2 反映曲面模型的建立 3 数学模型适切性的检验 4 极值的决定 5 因子的影响分析 下图给出了其流程图 首先根据已有的文献资料或基础实验数据 选取适当的 关键因子 设定各因子的合理范围 然后利用因子设计法 factorial design 和陡 升路径法 path of steepest ascent 来寻求极值所在区域 在利用中心混成设计法 18硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 Central composite design 补充星点 Star points 与中心点实验 同时结合因子 设计实验的数据 采用多元回归进行 2阶的数学模型的建立 用最小平方法 Least square 来进行拟合 有如下方程 n n-1 n n 2 Y b X + b X X + b X + b + e ii i i i j i i 0 i1 i1 ji+1 i1 式中e表示的是和目标函数之间的误差项 b代表待定的各项参数 然后采用 F检验或者 t检验来验证这个模型的拟和度 一个多项式模型在整个 独立变数的空间里面作为真正函数关系的合理近似是不可能的 但对于一个 足够小 的范围来说 他们通常表现良好 确定模型适应性良好以后 即可决定极值位置并 可计算出其值的大小 最后进一步通过实际实验来证明极值的可靠性 所谓反应面的分析就是通过合适的曲面来进行分析 如果拟合的曲面是真正反 映函数的一个合理近似 则对于曲面的分析就会近似相等于真是系统的分析 而且 在现实中 各因子之间的关系通常不是独立的 在 2阶曲面的分析中 如上式第二 项所示的独立变量的交乘项系数 允许我们去估计变量关联度的显著程度 由回归 模式所得的曲面图如果存在最大或最小值 则最优化条件最容易获得 若为碗状 Cradle or bowl 则最优化点位于顶端边缘 若为马鞍点 Saddle point 则 最优点位于边缘或四角上 这两种情况的最优点比较不易判别 最好与其他变量合 并考虑 才有助于最优化条件更完全 更清晰的判断 k Box and Behnken设计是一种拟合反应曲面的三级设计 这些设计是将 2 的因 子设计与不完全区集设计组合而成 所得的设计就实验组数而言是非常有效 率的 对于一个三级的三因子实验来说 如果用一次一因子法 需要进行 27 次实验 而 采用上述的响应面法的话就仅需进行 15 组实验 下图给出了此设计的设计原理 该设计为一球面设计 所有的实验点都位于半 径 2的球面上 设计中包含了三组中心点的实验 是为了多提供 2 组自由度以估 计实验误差 另一方面也有助于反应曲面在中心点附近的准确性 Box and Behnken设计不包含任何由个别变量的上下限所构成的空间范围的顶点 这样可避 免立方体顶点所代表的一些极限因子的等级组合 这样设计的优势在于这些因子的 19硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 等级组合有可能进行实验的代价非常高 甚至由于物理条件的限制根本无法进行实 验 图 级 因子反应面设计 Figure 9: Level 3 Factor RSM Design 本文主要采用的试验设计软件是 MINITAB 主要运用到它的基于响应面法的 实验设计 DOE 以及结果分析和优化求解的功能 本章小节 本章主要介绍了柔性夹具设计的背景及常见的一些设计方法 并提出了本文的 研究内容 采用弹性橡胶气囊的被动式通用夹取设计 设计的思路是对弹性材料和 控制力方法进行理论研究 得到准确描述弹性材料的数学模型以及合理控制抓取力 的方法 并利用有限元软件 ABAQUS强大的材料定义能力和力学模型分析能力来 对夹具进行计算机模拟试验 试验的设计和结果的分析都由试验设计软件 MINITAB基于反应曲面原理来完成 20硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 第二章 被动式柔性夹具的理论分析 2.1 橡胶材料的相关理论 弹性材料广泛应用于各种工业领域 诸如轮胎 弹簧 减震器 安全带 以及 电热绝缘体 在各种弹性材料里面 橡胶材料是最为人熟知的一种 从十八世纪中 叶开始就被作为常用的工程材料 弹性材料区别于其他常用材料比如金属的特性主 要可以概括为以下几条 1 相对于金属材料弹性材料的应力 应变特性呈现出非常明显的非线性 2 在受力产生极大的变形的情况下 当去掉载荷时能够回复到未变形的状 态 3 弹性材料在应力 应变图上没有屈服点 当应变很大时 它们具有非常明 显的非线性 相对于金属来说它们的弹性模量和抗拉强度都非常的小 4 因为弹性材料的高弹性它们具有很好的抗疲劳强度和能量吸收能力 5 当温度变化时 弹性材料的材料属性会有非常大的变化 6 弹性材料的泊松比非常接近于 0.5 几乎呈不可压缩 7 相对金属来说 弹性材料的表面摩擦系数很高 8 弹性材料具有很大的柔性 强度 防漏性能以及防腐蚀的能力 和金属相比 弹性材料因为他们材料和几何属性的非线性而显得非常复杂 大多数的弹性材料件都是用压铸的方法加工制造出来的 事先配好原材料成分 以及催化剂 控制好适当的温度压力过程来得到符合要求的性能和几何形状 有些 特殊场合采用的弹性材料需要复杂的加工过程 比如轮胎 这种方法的缺点是成本 非常高并且耗时很多 车加工方法的出现作为一种被选方案可以极大降低制造成 本 这对于一些需要制造原型等复杂形状应用场合来说是至关重要的 随着计算机技术的飞速发展 人们已经发展出一种数字技术来分析复杂的工程 问题 这其中有限元方法FEM被认为是一种最强大 最精确和可靠的计算机工 具 目前有限元法在分析制造过程上面的应用已经非常广泛 比如说一些传 统材料 钢 铝 的车加工和锻造 然而 在弹性材料的车加工和浇注应用上有限元方法 却没有得到很好的发展 21硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 2.1.1 弹性材料概述 所谓弹性材料指的是在常温 解除受力的情况下能够从受压产生的变形状态瞬 间回复到正常形状和尺寸的一种微分子材料 橡胶定义具有类似 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 一种能够快 速的 强制的从大变形状态回复原状的材料 室温条件下 如果我们把橡胶拉长 10倍并保持一分钟后释放 它们可以在一分钟之内回复原长或者原长的 1.5倍 各种包含橡胶成分的植物里面 热带橡胶树是生产商业橡胶的主要来源 而象 氯丁二烯橡胶 腈以及丁二烯等其它任何合成材料也都被归到天然橡胶的类别里 面 因为他们具有橡胶的基本属性 弹性材料的最显著特征就是能承受极大的弹性变形 他们具有非常低的弹性模 量和很高的断裂延长率 在周期性载荷受力下 由于弹性材料的能量吸收属 性 它 们呈现出显著的滞后特性 交叉的橡胶带被拉长多倍以后释放 它将会回到原始状 态 展现出很小的或者不呈现永久变形 这和一些具有大变形能力的延展性金属材 料有区别 因为即使解除负载以后他们也不会回复到原始状态 弹性材料的特殊材料和几何属性决定了他们的变形是非线形的 它们具有均向 性 强变形性 高弹性并且几乎不可压缩 它们还具有超弹性 比如我们可以用应 力势能方程来表征它们的机械属性 弹性材料具有很大的断裂延伸率 极低的弹性 模量以及相对较低的热导率 另外 它们的机械性能对于应变 应变率 应变历 史 温度 组成和加工方法的变化非常敏感 通常来说 可以从三个方面来研究弹性材料的弹性属性 热力学方法 静力学 方法以及现象学方法 第一种热力学方法仅仅考虑到材料的微观行为而没有探讨其 分子行为 第二种方法研究了基于分子动力学基础的材料静态力学机械性能 第三 种现象学的方法是如今最为广泛采用的 它提供了在大变形状态下的弹性描述 正 如该方法的名字所示 现象法主要研究观察到的现象而不谈讨产生该现象的力学机 制 它还要的目的是提供一种方法来计算变形体的应变和施加的载荷之间的关系 第二个目的是找到一种基于系统弹性储能的描述材料属性的基本方法 系统变形所 储存的弹性势能仅仅是应变的函数 它与应变路径无关 应变状态由三个基向延长 率来定义 它们是 1, 2, 和 3 下面讨论在静力学和现象学方法中用到的应 力势能函数 22硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 2.1.2 弹性材料的应力势能函数分析 2.1.2.1静力学方法 静力学方法是基于这样一个概念 橡胶是由很多长的分子链组合而成 这些分 子链通过少数点链接在一起组成了不规则的三维网络 假设在变形过程中能量守 恒 每单位体积的自由应变能密度W可以写成如下形式Treloar, 1958: 1 222 W NkTlll ++- 3 123 2 这里 1, 2 , 3 沿着三个正交法向的延长率, N 是每单位体积的分子链数, k是 玻尔兹曼常数, T 是绝对温度. 更具有实际意义的写法是: 1 222 WGlll ++- 3 123 2 G 为剪切模量或者刚体的模量, G NkT. 这个方程也被称为 Neo-Hookean 方程. 2.1.2.2现象学方法 基于弹性材料的等方性和不可压缩性能假设, Mooney发现了势能函数的表达式 为 Mooney, 1940: 222 --- 222 WCC ll++l - 3+lll ++- 3 1 12 3 2 123 这里 C1和 C2 是材料相关的参数 可以通过实验测定 Rivlin介绍了一种各种可能储能 W的表达式 它是包含三个变量 I1, I2, 和 I3的 函数 这些变量都是不随应变变化的 它们的定义是 Rivin, 1948: 222 I++ lll 1123 22 22 22 I++ ll ll ll 2 12 2 3 31 222 I lll 1 123 因为不可压缩的假设 比如材料的体积是在各种状态下都是常数 我们可以 得 到下面的关系: 222 I lll 1 3 123 因此 I3不是应变的函数 并且我们可以认为 对于不可压缩的具有等方向 性的 弹性材料来说 W 可以表达成两个独立变量 I1 和 I2 的函数 同时它还可 以表达成 一系列的求和表达式:ij W CII-- 3 3 ij12 ij 0,0 23硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 这个方程被称为 Rivlin方程的一般形式 可以注意到该表达式是适用于任意 I1 和 I2 因此当零应变时I1 I2 3 W 讲等于 0 还可以看到 Mooney势能函数是上式的一个特殊形式 考虑 Rivlin方程的一 阶关系形式 可以把它写成 WCI- 3+- CI 3 11 22 这个方程被称为 Mooney-Rivlin应变势能方程 Yeoh也发现了如下形式的势能方程: 23 WCI- 3+CI- 3+- CI 3 11 21 31 Valanis和 Landel提出了另一种描述势能的函数模型 即三个正交方向延长率 的独立函数的和Valanis和 Landel,1967: W++ lll 123 在所有具有 w i形式的函数里面, Ogden-Tschoegl模型Ogden, 1997是今天最 为广泛采用的一个: m aaa kkk W mll++-la 3/ kk 123 k 1 这里a k 1,..,m是一个实数 m是正整数 m和a都是经验得到的材料常 k k k 数 注意到当 m 2 a 2 m 2Ck, k 1, 2 上述的势能函数就变成 k k Mooney-Rivlin势能函数形式了 而当 m 1 1 2 m G 势能函数就变成 1 Neo-Hookean 形式了 Ogden-Tschoegl模型已经应用到很多试验里面 对于简单拉力情形 采用三 阶 形式就可以描述应变在 700%之内的势能变化 误差和 Mooney-Rivlin模型 150 相比更小Ogden, 1997 在后面的有限元分析中 我也是采用这个模型来对弹性材料进行定义 2.2接触理论分析 2.2.1 接触理论的发展过程 由于弹性材料的非线性 上节提出的被动式柔性夹具设计的理论尤其是接触力 学部分虽然有多人进行了研究但目前并没有提出系统的研究成果,而类似的机械手 24硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 软指的接触性能已经经历了一个很长的发展过程并取得了一定的成果 Hertz于 1882年首先对两种线性弹性材料的接触力学性能进行了研究 并且用隐形眼镜进 行了实验 他得出了这样的结论 对该种弹性材料 他和挤压面的接触面半径将指 数正比于其所受到的法向力 指数为 1/3 Schallamach于 1967年对不同的橡胶材 料做了该实验 Cutkosky, Jourdian和 Wright测试了复合材料试图寻找到智能机械 手表面的理想材料 Goyal 提出了极限面的概念 极限面是描述有限接触面积上的 力和力矩的数学曲面 通过多位科学家的努力 软指的初步接触模型的理论模型在 1996年基本成形并得到了实验的验证 Kinoshita 于 1997年研究得到了关于人类手 指的接触面积和手指所受法向力的函数关系 尽管上述材料在接触问题上的线性弹性假设对部分材料是适用的 但是对大多 数拟人机械手软指的接触力学行为研究是不够精确的 Nicholas Xydas 在 Modeling of Contact Mechanics and Friction Limit Surfaces for Soft Fingers in Robotics, with Experimental Results 一文中提出 对于软指材料 例如橡胶 硅树 脂 当法向力增加时 接触面积随之增加的速度会降低 对于人类的手指来说 该 结论同样成立 Mooney的大弹性变形理论中 他导出了超弹性材料的一般应力表 a 达式 后来 Tatara推导并通过实验证明了当涉及到大的变形时0.3 a为 R 0 接触半径 R为手指末端球体的曲率 Hertz的模型对于非线性弹性的材料是不 0 适用的 他建议 你人机械软指的接触研究不能遵循和线性材料间的接触问题一样 的研究方法和结论 因为这里的软指趋向于大变形并表现出很强的非弹性 在 Hertz的理论中 他推导出了对于线性弹性材料来说 接触面积和所受的法 向力之间是由指数比例关系 指数为 1/3 然而 我们不妨考虑理想的软指情形 假设初始受法向力以后就达到完全接触 在这种情况下 继续增大法向力并不会使 接触面积有所增大 即 这种情况下该比例指数为 0而不是 1/3 当然 这样的理 想材料是不存在的 但是一般意义来讲 软指的接触力学性能会是的该指数介于 0 和 1/3之间 因此 从理论分析上推导出这样一个结论是很有意义的 运用该结果 和接触压力模型可以建立夹取和控制方面的极限面的模型 25硕士研究生学位论文 柔性夹具设计 Nicholas Xydas在他的论文中通过理论建模和实验验证的方法研究了这个结 论 下面简单介绍一下其推导过程 一些符号的意义 a 圆形接触区域的半径 C 压力分布函数的系数 k d 手指接触部分中心的位移 d 原点至旋转中心COR的位移 c f 软接触的切向力 t f 最大切向力 f mN t . t . k 压力分布方程的指数 k 应力单位常数 s m 接触面的法向力矩 n m 法向力矩的最大力矩 N 法向力 n 非线弹性材料的应力指数 pr 距接触中心 r处的压力分布 r,q 极坐标 R手指末端的曲率